2021 Fiscal Year Annual Research Report
Dynamic regulation of cell behavior using stimuli-responsive polymers with dynamic crosslinks
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20H04539
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| Research Institution | Kansai University |
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Principal Investigator |
宮田 隆志 関西大学, 化学生命工学部, 教授 (50239414)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
岩崎 泰彦 関西大学, 化学生命工学部, 教授 (90280990)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 刺激応答性高分子 / 細胞 / メカノバイオロジー / 動的架橋 / 時空間制御 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，動的架橋戦略に基づき，刺激に応答して物理的・化学的性質を変化させる3種類の刺激応答性高分子(1)光・温度応答性ゲル，2)光・生体分子応答性ゲル，3)光応答性フィルム）を設計し，その材料表面（2D培養）やゲル内部（3D培養）を用いた時空間制御型細胞培養システムの構築を目指している。本年度の研究実績を以下にまとめる。
1)光・温度応答性ゲルの設計と細胞制御：前年度に引き続き，下限臨界溶液温度（LCST）を有する光二量化基導入ポリエチレングリコール(PEG)誘導体を合成し，光照射時間を変化させて調製した光・温度応答性PEGゲルの弾性率を粘弾性測定により評価した。また，接触角測定などにより，温度変化させた場合の光・温度応答性PEGゲルの親水性・疎水性の変化を調べた。さらに，様々な弾性率を有する光・温度応答性PEGゲルの表面で細胞培養し，弾性率によって接着挙動が異なることを明らかにした。
2)光・生体分子応答性ゲルの設計と細胞制御：光二量化基としてマレイミドやアントラセン，分子複合体形成部位としてビオチンや糖鎖をポリマーを合成し，アビジンやレクチンなどの生体分子と相互作用させることにより四分岐構造の分子複合体を形成させた。さらに，それらの複合体を有する水溶液に光照射したときの水溶液の変化を調べ，一部ゲル化に成功した。
3)光応答性フィルムの設計と細胞制御：前年度に引き続き，光二量化基導入ポリジメチルシロキサン(PDMS)誘導体から調製した光応答性フィルムに，フォトマスクを通した光照射により様々な弾性率パターンの表面を形成した。次に，光照射によるフィルム表面の物理的性質として表面弾性率を原子間力顕微鏡により評価し，化学的性質を接触角測定やX線光電子分光法により調べた。さらに，このパターン化フィルム表面上で細胞培養すると，細胞パターンが形成されることを見出した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究では，細胞制御するための主に3種類の刺激応答性高分子（光・温度応答性ゲル，光・生体分子応答性ゲル，光応答性フィルム）を設計する予定である。前年度と同様に，新型コロナウイルス感染症によって研究は少し影響されたが，予定していた研究項目はある程度遂行することができた。現段階では，予定していた3種類の刺激応答性高分子を合成し，それらから各種ゲルの設計までも成功しているので，「(2)おおむね順調に進展している」と評価した。
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| Strategy for Future Research Activity |
刺激に応答して物理的・化学的性質を変化させる3種類の刺激応答性高分子の設計と細胞制御に関する今後の研究の推進方策を以下にまとめる。
1)光・温度応答性ゲルの設計と細胞制御：前年度に引き続き，光二量化基導入PEG誘導体水溶液への光照射時間の調節により弾性率の異なる光・温度応答性PEGゲルを調製する。これとは別にフィルムを作製した後に光二量化を行い，より高い弾性率を有する光・温度応答性PEGフィルムも調製する。次に，光照射や温度変化による光・温度応答性PEGゲル・フィルムの弾性率と親水性・疎水性の変化を定量的に評価する。さらに，様々な弾性率や親水性・疎水性を有するゲルやフィルムの表面で細胞培養し，その接着や伸展，増殖，分化などの細胞挙動を調べる予定である。
2)光・生体分子応答性ゲルの設計と細胞制御：前年度に引き続き，分子複合体形成部位と光二量化基を導入したPEG誘導体と生体分子とから四分岐構造の分子複合体を形成させた後，光照射によるゾル－ゲル相転移挙動と標的分子添加によるゾル化挙動を調べる。さらに，精密重合によって合成した親水性高分子の両末端に分子複合体形成部位と光二量化基を導入し，同様に分子複合体を形成させた後の光ゲル化挙動も検討する。これらのポリマーを用いて，細胞存在下で同様に光・生体分子応答性ゲルを形成し，ゲル内部での細胞挙動を調べる予定である。
3)光応答性フィルムの設計と細胞制御：前年度に引き続き，光二量化基導入PDMS誘導体を調製し，フォトマスクを通した光照射により様々な弾性率パターンの表面を形成する。次に，光照射によるフィルム表面の物理的および化学的な性質の変化を詳細に調べる。さらに，このパターン化フィルム表面上で間葉系幹細胞を培養し，骨分化などの細胞分化挙動を調べる。
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